RISC-V开放架构设计之道
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作者(美)David Patterson，(美)Andrew Waterman著
出版社电子工业出版社
ISBN9787121464096
出版时间2024-01
装帧平装
开本其他
定价89元
货号14432598
上书时间2024-06-30
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作者简介
"大卫·帕特森（David Patterson）在加州大学伯克利分校担任计算机科学系教授40 年，于2016 年退休，并加入“Google 大脑”项目担任杰出工程师。他还担任RISC-V 国际基金会董事会副主席和RISC-V 国际开源实验室主任。他曾被任命为伯克利计算机科学部主席，并当选计算研究协会（CRA，Computing Research Association）主席和计算机协会（ACM，Association for Computing Machinery）主席。在20 世纪80年代，他领导了四代精简指令集计算机（RISC，Reduced InstructionSet Computer）项目，伯克利近期新的RISC 因此得名“RISC Five”（第五代RISC）。 他和安德鲁·沃特曼（AndrewWaterman）均为四位RISC-V 架构师中的一员。除RISC 以外，他的研究项目是廉价磁盘冗余阵列（RAID，Redundant Arrays of Inexpensive Disks）。基于这项研究，他发表了多篇论文，出版了7 本书，获得了超过40 项荣誉，包括当选美国国家工程院和美国国家科学院院士，入选“硅谷工程名人堂”，获ACM、CRA 和SIGARCH 颁发的杰出成就奖。他在教学方面所获奖项包括杰出教学奖（加州大学伯克利分校）、Karlstrom杰出教育家奖（ACM）、Mulligan 教育奖章（IEEE），以及两次教科书很好奖（Text and Academic Authors Association）。 他最近获得的荣誉包括Tapia 成就奖、BBVA 基金会知识前沿奖以及ACM 图灵奖，其中后两者与约翰·轩尼诗（John Hennessy）共同获得。他在加州大学洛杉矶分校获所有学位，也被该校授予杰出工程学院校友奖。他在南加州长大，兴趣爱好是和儿子们一起玩人体冲浪、骑自行车和踢足球，以及和妻子一起远足。他们在高中时期相爱，并于2022 年庆祝了55 周年结婚纪念日。 安德鲁·沃特曼（Andrew Waterman）是SiFive 的总工程师和联合创始人。SiFive 由RISC-V 架构的发明者们创办，旨在提供基于RISC-V 的低成本定制芯片。他获加州大学伯克利分校计算机科学博士学位。其间，他厌倦了现有指令集架构的变幻莫测，于是参与设计了RISC-V ISA 和第一款RISC-V微处理器。安德鲁在多个开源项目中均做出主要贡献，包括基于RISC-V 指令集的开源Rocket chip 生成器、Chisel 硬件构造语言，以及Linux 操作系统内核、GNU C 编译器和C 库的RISC-V 版本移植工作。他还获加州大学伯克利分校硕士学位，其间开展了RISC-V 压缩扩展的前期工作。他还获杜克大学工学学士学位。"
目录
第1章 为什么要有RISC-V 1
1.1 导言 2
1.2 模块化ISA 和增量型ISA 3
1.3 ISA 设计导论 5
1.4 全书总览 11
1.5 结语13
1.6 扩展阅读14
第2章RV32I：RISC-V 基础整数指令集16
2.1 导言17
2.2 RV32I 指令格式18
2.3 RV32I 寄存器 21
2.4 RV32I 整数计算23
2.5 RV32I 取数和存数 25
2.6 RV32I 条件分支26
2.7 RV32I 无条件跳转 27
2.8 其他RV32I 指令28
2.9 通过插入排序对比RV32I、ARM-32、MIPS-32 和x86-32 28
2.10 结语34
2.11 扩展阅读 36
第3 章RISC-V 汇编语言 37
3.1 导言38
3.2 调用约定38
3.3 汇编器 41
3.4 链接器 46
3.5 静态链接和动态链接49
3.6 加载器 49
3.7 结语50
3.8 扩展阅读50
第4章RV32M：乘法和除法指令51
4.1 导言52
4.2 结语54
4.3 扩展阅读55
第5章RV32F 和RV32D：单精度和双精度浮点数56
5.1 导言57
5.2 浮点寄存器60
5.3 浮点取数、存数和算术运算62
5.4 浮点转换和数据传送63
5.5 其他浮点指令63
5.6 通过DAXPY 程序对比RV32FD、ARM-32、MIPS-32 和x86-32 65
5.7 结语68
5.8 扩展阅读68
第6章RV32A：原子指令70
6.1 导言71
6.2 结语73
6.3 扩展阅读74
第7章RV32C：压缩指令75
7.1 导言76
7.2 对比RV32GC、Thumb-2、microMIPS 和x86-32 81
7.3 结语82
7.4 扩展阅读82
第8章RV32V：向量83
8.1 导言84
8.2 向量计算指令85
8.3 向量寄存器和动态类型86
8.4 向量取数和存数88
8.5 向量操作的并行度 89
8.6 向量操作的条件执行90
8.7 其他向量指令90
8.8 示例：用RV32V 编写DAXPY 程序92
8.9 对比RV32V、MIPS-32 MSA SIMD 和x86-32 AVX SIMD 93
8.10 结语97
8.11 扩展阅读 99
第9章RV64：64 位地址指令 100
9.1 导言101
9.2 通过插入排序比较RV64 与其他64 位ISA 105
9.3 程序大小112
9.4 结语113
9.5 扩展阅读114
第10章RV32/64 特权架构115
10.1 导言116
10.2 简单嵌入式系统的机器模式117
10.3 机器模式的异常处理 119
10.4 嵌入式系统中的用户模式和进程隔离 124
10.5 现代操作系统的监管模式 126
10.6 页式虚拟内存128
10.7 标识和性能CSR 133
10.8 结语136
10.9 扩展阅读 136
第11章 未来的RISC-V 可选扩展 137
11.1 “B”标准扩展：位操作 138
11.2 “E”标准扩展：嵌入式 138
11.3 “H”特权态架构扩展：支持虚拟机管理器（Hypervisor） 138
11.4 “J”标准扩展：动态翻译语言 138
11.5 “L”标准扩展：十进制浮点 139
11.6 “N”标准扩展：用户态中断139
11.7 “P”标准扩展：紧缩SIMD 指令139
11.8 “Q”标准扩展：四倍精度浮点140
11.9 结语140
附录A RISC-V 指令列表 141
附录B 把RISC-V 直译到其他ISA 187
索引195
内容摘要
本书首先提出一款指令集的7个评价指标，包括成本、简洁、性能、架构和实现分离、提升空间、代码大小、易于编程/编译/链接，并围绕这7 个评价指标从全系统角度向读者介绍RISC-V 的精巧设计和众多的取舍考量。同时，本书还介绍x86、ARM 和MIPS 的设计，并通过插入排序和DAXPY（双精度乘加）程序量化对比它们，突出RISC-V 的优势，深入阐释指令集设计对计算机系统的影响。 如果您是学生，本书将是一本优秀的课外读物，有助于您建立完整的计算机系统观念；如果您是教师，本书将为您提供丰富的真实案例，能给您的教学工作带来新的启发；如果您是相关方向的从业人士，本书除了开拓您的视野，还是一本方便的参考手册，帮助您更轻松地完成工作。
主编推荐
"《RISC-V开放架构设计之道》由RISC-V架构的作者亲自撰写，旨在用最小的篇幅阐明RISC-V架构的全貌，帮助从业者深入理解RISC-V架构的核心原理和特性。 RISC-V 的基本概念和设计原则 深入分析RISC-V 的指令集、寄存器、内存管理、异常处理等 丰富的图表和示例 一本著译双馨的上乘之作，值得每一位从业者作为案头参考。"
精彩内容
本书首先提出一款指令集的7个评价指标，包括成本、简洁、性能、架构和实现分离、提升空间、代码大小、易于编程/编译/链接，并围绕这7 个评价指标从全系统角度向读者介绍RISC-V 的精巧设计和众多的取舍考量。同时，本书还介绍x86、ARM 和MIPS 的设计，并通过插入排序和DAXPY（双精度乘加）程序量化对比它们，突出RISC-V 的优势，深入阐释指令集设计对计算机系统的影响。 如果您是学生，本书将是一本优秀的课外读物，有助于您建立完整的计算机系统观念；如果您是教师，本书将为您提供丰富的真实案例，能给您的教学工作带来新的启发；如果您是相关方向的从业人士，本书除了开拓您的视野，还是一本方便的参考手册，帮助您更轻松地完成工作。
媒体评论
"倪光南院士 推荐序 中国工程院 院士 CPU（中央处理器）架构是芯片产业链和芯片生态的龙头。CPU 架构不仅决定了CPU 芯片本身的性能，而且在很大程度上引领了整个芯片产业和产业生态，尤其是对设计人才培养、设计工具（EDA）、芯片IP（Intellectual Property）库、芯片应用生态等方面有重大影响。此外，芯片的架构也影响到芯片的生产、测试、封装等环节。近年来，包含微处理器的SoC（系统级芯片）产品在芯片产品中的比重已达到70% 以上，这表明芯片应用与CPU 架构之间的关联性正在增强。历史上，在PC 和互联网时期，x86 架构芯片占据优势，而在移动互联网时期，ARM 架构芯片占据优势，今后，在智能互联时期，CPU 架构格局也会随之发生变化。 近年来，国际上一种新兴的开源精简指令集架构CPU（RISC-V），为全球芯片产业创新发展提供了新的机遇。RISC-V 架构由美国加州大学伯克利分校计算机科学部门于2010 年发布，它们创造了一种通用的计算机芯片指令集，以此来降低进入芯片行业的门槛。RISC-V 采取开源模式，这套指令集将被所有芯片制造商所使用，而不属于任何公司。用户可自由免费地使用该架构进行CPU 设计、开发并添加自有指令集进行拓展，自主选择是否公开发行、商业销售、更换其他许可协议，或接近闭源使用。 现在，国际上围绕RISC-V 的学术交流、产品发布、应用示范、生态建设等活动越来越兴旺，RISC-V 已成为当前芯片业界的“新宠”。正如该架构的领军人物David Patterson 教授所说：“技术创新正在兴起，创新的潜力永远存在”。最近RISC-V 被《MIT 科技评论》评选为2023 年“全球十大突破性技术”，评价为“芯片设计正走向开放、灵活，开源的RISC-V 有望成为改变一切的芯片设计”。 开源RISC-V 的出现顺应未来新一代信息技术的需求，其精简指令集符合CPU架构发展趋势，它所采用的开源模式也符合科学开放精神，大大降低了芯片产业门槛，人才培养便捷，研发周期缩短，这些都使其后续发展具备强大生命力。 为了更好地顺应时代发展需求，我们希望更多的人了解并加入RISC-V 开源队伍。为此，中国科学院计算技术研究所组织翻译了David Patterson 和Andrew Waterman的这本著作。他们两人都是RISC-V 架构的设计者，为本书注入了他们创新RISC-V的灵感和热情，本书是推广RISC-V 的一本优秀书籍。 本书通过清晰而详尽的描述，向读者呈现了RISC-V 架构的全貌，帮助读者深入了解RISC-V 架构的核心原理和特点。首先，本书介绍了RISC-V 的基本概念和设计原则，让读者对RISC-V 有一个整体的认识。接着，本书深入讲解了RISC-V 的指令集、寄存器、内存管理、异常处理等方面的内容，帮助读者理解和应用RISC-V 的各项功能和特性。此外，本书还提供了丰富的图表和示例，帮助读者更好地理解RISC-V。无论是对计算机科学领域的专业人士、学生还是RISC-V 的开发者，本书都可以成为优秀的参考资料。 孟建熠 推荐序 平头哥半导体有限公司副总裁 几天前，云岗向我推荐本书并邀请我为其作序。 其实我一直在找一本能够把RISC-V 架构讲清楚的书，所以我怀着激动兴奋的心情仔细阅读了这本书，并很快被书中的内容和讲解的角度所打动。本书不仅描述了RISC-V 架构与对应的指令的功能，通俗易懂，而且非常清晰地讲解了这些指令设计背后的原理、思考和精髓，我深深体会到了帕特森祖师爷与沃特曼博士在体系结构上的功力。之前很多朋友问我：开源RISC-V 到底开放了什么？是开源代码吗？本书清晰地解释了什么是“开放架构”、RISC-V 架构的“标准”定义了什么，以及为什么要这么定义。这本书仅用一百多页（其他架构书籍三分之一的篇幅）就讲清楚了RISC-V，并且原汁原味地解释了RISC-V 架构与其他架构的不同之处，同时对RISC-V 的模块化、扩展性及优选性也做了很好的阐述。 本书非常适合刚开始学习RISC-V 架构的学生使用，是一本非常浅显易懂的教材，它可以作为计算机体系结构的学习用书之一。在计算机体系结构量化研究方法中，我们已经可以学习到RISC-V 的流水线、微架构等知识，但这本书对RISC-V 架构进行了完整描述，更加完整地解释了指令架构、复杂功能和二进制编码等关键技术内容，可以作为RISC-V 处理器设计的重要参考用书。本书内容精炼，容易上手，非常适合刚开始学习RISC-V 的软硬件工程师使用。本书对RISC-V 的指令定义准确，在使用RISC-V 指令时可以作为随时备查的工具手册。本书内容组织方式高效，按照RISC-V模块化的指令定义展开，大家可以按照自己感兴趣的领域有选择地阅读。 本书的出版时间也是恰到好处。我从2017 年开始接触RISC-V，亲身经历了RISC-V 技术高速发展的过程，才5 年多的时间，RISC-V 就从基础架构扩展到今天的十多个扩展架构，指令从最初的48 条增加到几百条。RISC-V 正在从一个充满书生气的架构走向可以与主流架构竞争的成熟架构，这时就需要有一本能够统领业界技术的经典教材，指引业界按照标准去设计，按照标准去学习，按照标准去使用。我们有理由相信，本书是RISC-V 领域中最基础、最完整的书籍。我也相信在本书的基础上，会有更多的RISC-V 相关书籍、教程出现，为RISC-V 最终走向生态繁荣做出贡献。 我相信，这是一本值得所有RISC-V 人拥有的书籍。同时也非常感谢中国科学院计算技术研究所包云岗老师带领的团队在RISC-V 技术创新和普及方面所做出的贡献。正是有了这么一帮坚信RISC-V 技术前景的年轻人，以及他们“因为相信，所以看见”的付出，才使得更多的人掌握了RISC-V 技术。相信在全球新一轮计算机架构的创新浪潮中，将会越来越多地看到RISC-V 在技术创新和产业应用中的身影。 袁春风教授 推荐序 南京大学 经过几十年的发展，先后出现过50 多种不同的指令集架构，但真正被广泛使用的不多，知名的有Intel x86、MIPS、ARM、Sun 公司的SPARC、IBM 公司的Power等，其中，Intel x86 系列处理器在PC 和服务器市场占主导地位，而ARM 架构在移动手持设备与嵌入式领域占绝对优势。近年来，RISC-V 作为新兴开放指令集架构得到了越来越多的关注，正如RISC-V 国际基金会CEO Calista Redmond 女士在2023 RISC-V 中国峰会主旨报告中提到的那样：“作为世界上最丰富和开放的指令集架构，如今RISC-V 的发展已势不可挡，市场上已经有超过100 亿颗RISC-V 芯片。在RISC-V 生态中，无论是企业还是工程师，每一个参与者都至关重要，RISC-V 也将为他们带来更多的机遇，而参与者也在发展的同时创造更多的RISC-V 应用，加速丰富RISC-V 生态”。 RISC-V 架构以开放共赢为基本原则，不属于任何一家商业公司，而是由一个统一的非营利组织作为主导者和核心规则制定者，任何公司和个人都可免费使用该架构，无须向任何商业公司支付高昂的授权费。RISC-V 遵循“大道至简”的设计哲学，通过模块化和可扩展的方式，既保持基础指令集的稳定，又保证扩展指令集的灵活配置，在简洁性、实现成本、功耗、性能和程序代码量等方面都有较显著的优势。从最简单的小面积、低功耗的嵌入式微控制器，到功能强大的服务器，都可以基于RISC-V 指令集架构进行开发，相比于ARM 和x86 等主流商业架构，在RISC-V 通用架构基础上实现专用领域加速器也是优点之一。 RISC-V 指令集架构所具有的免费、开放、简单、模块化、易扩展等特性，加上目前推出的多款优秀的开源芯片及芯片敏捷开发方式，使得基于RISC-V 架构的芯片开发门槛大大降低，吸引了越来越多的个人和企业加入RISC-V 生态系统的开发队伍，业界也非常需要有一些具备RISC-V 基础的从业者。 在计算机专业课程教学方面，涉及计算机组成与处理器设计的教材和课程都需要基于特定的指令集架构进行讲解。从原理上说，虽然采用任何一种RISC 风格指令集架构作为模型机差别不大，但是RISC-V 基本指令集的小型浓缩化、功能指令集的模块化、代码长度的可缩性、访存指令的简洁与灵活性、过程调用的简洁性、特权模式的可组合性、异常/中断处理的简洁和灵活性，以及无分支延迟槽等很多特性，都使得采用RISC-V 架构进行相关教学更能阐述清楚上层软件与指令集架构之间、指令集架构与底层微架构之间的密切关系。 在过去的十几年，我们一直跟踪国外一流大学计算机组成与系统结构相关课程的教学，从这些大学相关课程网站了解到，UC Berkeley、MIT 和CMU 等从2017 年开始就陆续改用RISC-V 架构作为模型机进行教学或开展CPU 设计实验，这也从另一个方面说明了RISC-V 指令集架构作为教学模型机的优越性。 2018 年，我们计划编写一本基于RISC-V 架构的《计算机组成与设计》教材，在教材编写过程中，余子濠博士向我推荐了这本由计算机系统结构权威专家及RISC-V指令集架构设计者编写的书籍，并把中国科学院计算技术研究所包云岗团队翻译的第1版中文译本电子版发给了我。通过对该书的阅读学习，我对RISC-V 架构有了更深入的理解，同时也对指令集架构在整个计算机系统中的重要性有了更深刻的认识。书中对不同指令集架构在成本、简洁性、性能、架构与实现的分离、预留编码空间、代码量、是否易于编程/编译/链接等方面的对比分析，包括一些有代表性的具体程序示例对比，都深刻地阐释了RISC-V 指令系统架构设计的优选性。 对于计算机专业和电子工程专业的师生及计算机系统架构师和处理器设计者来说，本书具有极好的参考价值，书中对RISC-V 各指令模块、汇编语言程序及使用的汇编指示符和伪指令、过程调用约定、链接与加载、浮点运算指令、原子指令、压缩形式指令、向量指令、特权模式与特权指令等内容进行了简明扼要的说明，通过阅读本书可以快速了解RISC-V 指令集架构最基础的内容和最核心、最有价值的设计理念与设计思想。因此，本书可以作为相关课程教学的高阶课外读物，也可以从中选择一些内容作为课堂讨论的案例或话题。"
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